KR100315149B1 - 차량용 시트의 완충장치 - Google Patents

차량용 시트의 완충장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 시트의 완충장치에 관한 것으로서, 고정단과 자유단으로 구성되고 스프링(19)으로 지지되는 X형링크(13)를 개재하여 차체(12) 상에 장착되는 시트(11)를 지니는 자동차에 있어서: 상기 X형링크(13)와 시트(11) 사이에 탄성력을 작용하도록 장착되는 스프링(19); 상기 시트(11)와 차체(12) 사이에 댐핑력을 작용하도록 장착되고, 자기유변유체 또는 전기유변유체를 지니는 댐퍼(18); 상기 시트(11) 및 차체(12)에 각각 장착되어 가속도의 변화에 따른 신호를 발생하는 가속도센서(14)(15); 상기 시트(11)와 차체(12) 사이에 장착되어 상대변위의 변화에 따른 신호를 발생하는 변위센서(16); 상기 가속도센서(14)(15) 및 변위센서(16)의 입력을 받아 댐퍼(18)를 조절하는 출력을 발생하는 제어기(20); 그리고 상기 제어기(20)의 출력신호를 받아 댐퍼(18)의 동작전류 또는 전압을 가변하는 구동출력기(17)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, 비교적 시트의 쿠션이 불량한 대형 차량의 주행중에 노면의 상태에 따라 완충이 조절되도록 하여 승차감을 향상하는 효과가 있다.

Description

차량용 시트의 완충장치{DAMPING DEVICE FOR AUTOMOBILE SEAT}
본 발명은 차량용 시트의 완충장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비교적 시트의 쿠션이 불량한 대형 차량의 주행중에 노면의 상태에 따라 완충이 조절되도록 하여 승차감을 향상하는 차량용 시트의 완충장치에 관한 것이다.
자동차 개발이 급속도로 성장되고 있는 상황에서 탑승자의 편의를 위한 설비가 상대적으로 중요하게 인식되고 있으며 이러한 설비 중 특히 탑승자의 승차감을 개선하는 부분은 가장 중요한 요소 중의 하나이지만 실제 개발과 제품화를 위한 설계에 어려움이 있다.
자동차의 주행중 엔진과 노면으로부터 발생하는 진동과 충격을 감소시켜 승차감을 향상시키기 위한 완충장치는 다양한 형태가 사용되는데 가장 일반적인 현가장치는 자동차의 타이어와 연결되는 차축과 차체 사이에 설치되는 스프링과 댐퍼를 포함하고 있어 차체로 전달되는 진동과 충격을 일차적으로 감소시킨다.
그러나 이러한 현가장치만으로는 진동과 충격을 완전히 차단할 수 없기 때문에 탑승자의 안락감을 충분히 보장할 수 있도록 하기 위해 자동차의 차체와 시트 사이에 또 다른 시트용 현가장치를 설치하는 경우도 있다.
특히 버스, 트럭, 중장비, 지프와 같은 대형 차량은 일체형 현가장치를 사용하므로 노면에 의한 진동과 충격이 완전히 흡수되지 않고 운전자에게 전달되어 장시간 동안의 주행을 요구하는 운전자에게 피로감을 가중시킨다.
종래에는 이러한 차량의 진동을 흡수하기 위한 차량 시트용 현가장치로 차체와 시트 프레임 사이에 X자 형의 링크 구조로 구성되어 각 선단이 하중의 변화에 따라 움직이면서 전체 시트 프레임의 높이가 조절될 수 있고 중앙에 있는 에어 스프링과 감쇄기인 댐퍼로 완충작용을 하였다.
이때의 감쇄기로는 대부분 유압이나 공압 댐퍼를 사용하고 있으며 노면의 상태나 하중 변화에 따라 유체와 공기의 양을 변화시키는 밸브의 단계식 개도량으로압력을 조절하여 탑승자에 의한 하중이 변해도 일정한 높이를 유지할 수 있으며 항상 일정한 승차감을 확보할 수 있는 성능을 지닌다.
그러나 상기한 에어 스프링 및 유공압 댐퍼는 실시간으로 변화하는 노면의 상태와 하중 변화에 따라 단지 밸브의 단계식 개폐 제어만으로 댐핑계수를 조절하기 때문에 에너지의 불연속적인 흡수로 인해 충분한 진동 차단이 어려우며 차량의 노면 진동과 하중 변위가 빠르게 변하는 경우 유압과 공압 댐퍼의 진동에 대한 댐핑력을 갖기 위한 댐핑계수의 변화 시간이 커서 완충에 대한 반응이 부적절하게 지연된다.
또, 유공압 댐퍼를 사용하는 경우 압력 조절기구, 압축기 등의 부대 설비가 필요하여 구조적으로 복잡해지고 그에 따라 작동의 신뢰성, 내구성 및 정비성에 영향을 미치는 문제점이 있다.
그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 비교적 시트의 쿠션이 불량한 대형 차량의 주행중에 노면의 상태에 따라 완충이 조절되도록 하여 승차감을 향상하는 차량용 시트의 완충장치를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 주요부 배치상태를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 장치를 작동하기 위한 회로 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 작동 순서를 나타내는 플로우차트,
도 4는 본 발명에 따른 장치의 진동전달비를 측정하여 나타내는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
11 : 시트 11a : 프레임
12 : 차체 13 : X형링크
14, 15 : 가속도센서 16 : 변위센서
17 : 구동출력기 18 : 댐퍼
19 : 스프링 20 : 제어기
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 고정단과 자유단으로 구성되고 스프링(19)으로 지지되는 X형링크(13)를 개재하여 차체(12) 상에 장착되는 시트(11)를 지니는 자동차에 있어서: 상기 X형링크(13)와 시트(11) 사이에 탄성력을 작용하도록 장착되는 스프링(19); 상기 시트(11)와 차체(12) 사이에 댐핑력을 작용하도록 장착되고, 자기유변유체 또는 전기유변유체를 지니는 댐퍼(18); 상기 시트(11) 및 차체(12)에 각각 장착되어 가속도의 변화에 따른 신호를 발생하는 가속도센서(14)(15); 상기 시트(11)와 차체(12) 사이에 장착되어 상대변위의 변화에 따른 신호를 발생하는 변위센서(16); 상기 가속도센서(14)(15) 및 변위센서(16)의 입력을 받아 댐퍼(18)를 조절하는 출력을 발생하기 위하여 가속도센서(14)(15)의 입력으로 노면 상태를 판단하고, 그에 따른 출력치를 기설정된 함수와 게인의 곱으로 연산하고, 시트(11) 끝단의 충돌이 있으면 다시 게인을 증가한 다음 재차 연산된 출력치를 구동출력기(17)에 보내는 알고리즘을 수행하는 제어기(20); 그리고 상기 제어기(20)의 출력신호를 받아 댐퍼(18)의 동작전류 또는 전압을 가변하는 구동출력기(17)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 제어기(20)의 함수는 변위에 따른 함수 f(s)와, 변위·속도에 따른 함수 f(s,v)와, 변위·속도·가속도에 따른 함수 f(s,v,a)를 구비한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 주요부 배치상태를 나타내는 구성도가 도시된다.
본 발명은 고정단과 자유단으로 구성된 X형링크(13)를 개재하여 차체(12) 상에 장착되는 시트(11)를 지니는 자동차에 관련된다. 도시에서는 시트(11)의 프레임(11a)의 선단이 자유단이고 후단이 고정단인 X형링크(13)를 나타내는 바,시트(11)를 완전한 구속상태로 하지 않는 기타의 링크에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면 상기 X형링크(13)와 시트(11) 사이에 탄성력을 작용하도록 스프링(19)이 장착되고, 상기 시트(11)와 차체(12) 사이에 댐핑력을 작용하도록 자기유변유체 또는 전기유변유체를 지니는 댐퍼(18)가 장착된다. 스프링(19)은 시트(11)의 자유단을 지지하며 진동을 일차적으로 감쇄한다. 스프링(19)의 하단은 X형링크(13) 대신 차체(12)에 고정하는 것도 가능하다. 스프링(19)의 상단과 댐퍼(18)의 상단은 시트(11)의 프레임(11a)에서 동일한 지점에 고정한다. 자기유변형 또는 전기유변형의 댐퍼(18)는 종래의 유공압 댐퍼와 달리 유체 자체의 물성을 전기력으로 변화시켜 감쇄력을 조절한다.
자기유변형의 댐퍼(18)는 자기 극성을 띠는 마이크로 단위의 입자로 충전된 오일로서 자기장이 작용하면 극성이 발생된 입자들이 이방성 구조의 쇠사슬 형태로 나열되며 자기장의 세기가 강할수록 더욱 강한 힘으로 서로를 붙잡게 되어 이 쇠사슬 구조를 끊기 위한 항복 전단응력도 증가된다. 본 발명에 이러한 방식의 댐퍼(18)를 사용하면 내부의 오리피스 사이에 감긴 코일에 흐르는 전류로 자기장을 생성시켜서 오리피스를 흐르는 자기유변유체의 항복 전단응력을 변화시키고 감쇄력을 조절할 수 있다.
전기유변형의 댐퍼(18)는 전기장을 부하시키는 장치인 전극판과 전기유변유체로 구성된다. 전기유변유체는 일반적으로 비전도성 유체속에 강한 입자들을 분산시킨 콜로이드 용액으로 전기장이 작용하면 유체중에 분산된 전도성 입자가 체인형 구조를 형성하여 유체가 항복응력을 갖게 된다. 전기장의 세기가 강할수록 더 강한 체인형 구조를 형성하여 항복응력도 증가한다. 본 발명에 이러한 방식의 댐퍼(18)를 적용하면 내부 및 외부 실린더에 고전압을 인가하여 전기장을 생성시키고 항복응력이 변화함에 따라 감쇄력을 조절할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 가속도의 변화에 따른 신호를 발생하는 가속도센서(14)(15)가 상기 시트(11) 및 차체(12)에 각각 장착되고, 상대변위의 변화에 따른 신호를 발생하는 변위센서(16)가 상기 시트(11)와 차체(12) 사이에 장착된다. 시트(11)에 설치되는 제1 가속도센서(14)를 통하여 시트(11)의 진동모드를 인식하고 차체(12)에 설치되는 제2 가속도센서(15)는 자동차의 진동모드를 인식한다. 도로의 노면상태가 거칠수록 가속도센서(14)(15)에서 저주파의 신호가 검출되고, 변위센서(16)에서 검출되는 신호의 진폭은 증가한다. 변위센서(16)의 신호를 이용하여 시트(11)의 진폭을 제한하는 데이터를 생성할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 상기 가속도센서(14)(15) 및 변위센서(16)의 입력을 받고 댐퍼(18)를 조절하기 위한 출력을 발생하는 제어기(20)를 구비한다. 제어기(20)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력 인터페이스 등을 구비하는 마이콤 회로로서 자동차의 종합적 제어기인 ECU(electrical control unit)를 이용하는 것도 가능하다.
또, 본 발명에 따르면 상기 제어기(20)의 출력신호를 받아 댐퍼(18)의 동작전류 또는 전압을 가변하는 구동출력기(17)를 구비한다. 구동출력기(17)는 전류제어회로 또는 전압제어회로를 구비하며 제어기(20)에서 D/A컨버터를 통한 아날로그신호가 출력되면 그에 비례한 전류 또는 전압 신호를 발생한다. 구동출력기(17)를 통한 전류 또는 전압의 조절로 다양한 감쇄력을 구현할 수 있고 자기장이나 전기장을 발생시키기 위한 장치의 구성도 간단하므로 내구성이 우수하다.
도 2는 본 발명에 따른 장치를 작동하기 위한 회로 구성을 나타내는 블록도가 도시된다.
제1 가속도센서(14), 제2 가속도센서(15), 변위센서(16)는 제어기(20)의 A/D컨버터를 통하여 디지털 신호를 마이콤에 입력하고, 마이콤은 D/A컨버터를 통하여 구동출력기(17)에 출력한다. 제어기(20)는 자동차의 제너레이터에서 배터리로 저장되는 전원을 사용하도록 연결된다. 구동출력기(17)는 제너레이터의 교류전원을 입력받아 적절히 증폭한 다음 원하는 전류 및 전압으로 가변시킨다.
본 발명에 따른 제어기(20)는 가속도센서(14)(15)의 입력으로 노면 상태를 판단하고, 그에 따른 출력치를 기설정된 함수와 게인의 곱으로 연산하고, 시트(11) 끝단의 충돌이 있으면 다시 게인을 증가한 다음 재차 연산된 출력치를 구동출력기(17)에 보내는 알고리즘을 수행한다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 작동 순서를 나타내는 플로우차트가 도시된다.
자동차가 기동되면 프로그램이 시작되고 단계 S10에서 변위센서(16)의 신호를 입력한다. 이 신호는 운전자의 체중에 따라 달라지며 제어기(20)는 이를 시트(11)의 운동에 관한 초기값으로 저장한다. 단계 S11 및 단계 S12에서는 가속도센서(14)(15)의 신호를 입력하여 이후의 단계에서 도로의 노면상태를 인식하는자료로 삼는다.
단계 S13에서 자동차가 고속도로를 주행하는지 판단하여 yes이면 게인 G1을 결정하고(단계 S14) 출력신호 P1을 연산하지만(단계 S15), no이면 단계 S16으로 가서 현재의 도로 상태가 비포장인지 판단한다. 이때 yes이면 게인 G3을 결정하고(단계 S17) 출력신호 P3을 연산하지만(단계 S18), no라면, 즉 고속도로나 비포장도로가 아닌 일반도로라면 또 다른 게인 G2를 결정하고(단계 S19) 출력신호 P2를 연산한다(단계 S20).
이때 상기 제어기(20)의 출력신호로 되는 함수는 변위에 따른 함수 f(s)와, 변위·속도에 따른 함수 f(s,v)와, 변위·속도·가속도에 따른 함수 f(s,v,a)를 구비한다. 그 함수는 이론에 의한 계산이 어느 정도 가능하기는 하지만 실차에 의한 실험으로 구하는 것이 바람직하다. 상기한 함수에 사용되는 속도는 가속도센서(14)(15)의 신호를 적분하거나 변위센서(16)의 신호를 미분한 것을 사용하지만 별도의 속도센서를 추가하는 것도 가능하다.
단계 S21에서 시트(11)의 끝단이 충돌하는지 판단하는데 도로면의 순간적인 변화로 인해 시트에 장착된 댐퍼(18)의 최대 변위(stroke)를 넘어선 경우 댐퍼(18) 끝단에 의한 충격이 그대로 운전자에게 전달되는 것을 방지하기 위함이다. 단계 S21에서 yes이면 게인을 일정 비율로 증가시킨 다음(단계 S22) 전술한 단계 S13으로 복귀하여 새로운 출력신호를 생성한 다음 단계 S23에서 구동출력기(17)에 출력신호를 보내고 전술한 단계 S11로 복귀한다. 단계 S22에서 게인이 추가적으로 증가하면 댐퍼(18)는 보다 경한 상태로 되어 시트(11)의 끝단에서 충돌되는 것을 방지할 수 있다.
제어기(20)의 마이콤은 상기한 게인 G1, G2, G3 및 함수 f(s), f(s,v), f(s,v,a)를 메모리 상에 저장하고 있고 마이크로프로세서에 의해 상기한 작동 단계를 빠른 주기로 수행하므로 도로 상태가 바뀌어도 댐퍼(18)를 통한 댐핑력 제어의 반응속도가 빠르다.
제어기(20) 및 구동출력기(17)에 의한 전기력으로 댐퍼(18)의 점성을 변화시켜 댐핑력을 조절하므로 탑승자가 느낄 수 있는 진동 주기와 가속도를 신속하고 충분하게 차단하는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 진동전달비를 측정하여 나타내는 그래프가 도시된다.
점선으로 표시하는 부분은 댐퍼(18)가 구동출력기(17)를 통한 전원을 받지 않는 상태, 예컨대 구동출력기(17)의 고장시로서 약 4㎐ 부근의 저주파에서 진동전달비(transmissibility)가 1.7에 이르러 완충작용이 불량하다.
일점쇄선으로 표시하는 부분은 댐퍼(18)가 구동출력기(17)를 통한 최대 입력전원을 받는 상태로서 상기한 경우에 비하여 진동전달비의 급속한 상승이 없고 완충작용이 향상되는 것을 알 수 있다.
반면 실선으로 표시하는 부분은 댐퍼(18)가 제어기(20)와 구동출력기(17)를 통하여 적절히 조절되는 입력전원을 받는 상태로서 상기한 두 경우에 비하여 전반적으로 진동전달비가 낮다. 약 4㎐ 이상에서는 진동 전달비가 1이하로 저하되므로 가장 양호한 완충작용을 수행한다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 차량용 시트의 완충장치는 비교적 시트의 쿠션이 불량한 대형 차량의 주행중에 노면의 상태에 따라 완충이 조절되도록 하여 승차감을 향상하는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 고정단과 자유단으로 구성되고 스프링(19)으로 지지되는 X형링크(13)를 개재하여 차체(12) 상에 장착되는 시트(11)를 지니는 자동차에 있어서:
    상기 시트(11)와 차체(12) 사이에 댐핑력을 작용하도록 장착되고, 자기유변유체 또는 전기유변유체를 지니는 댐퍼(18);
    상기 시트(11) 및 차체(12)에 각각 장착되어 가속도의 변화에 따른 신호를 발생하는 가속도센서(14)(15);
    상기 시트(11)와 차체(12) 사이에 장착되어 상대변위의 변화에 따른 신호를 발생하는 변위센서(16);
    상기 가속도센서(14)(15) 및 변위센서(16)의 입력을 받아 댐퍼(18)를 조절하는 출력을 발생하기 위하여 가속도센서(14)(15)의 입력으로 노면 상태를 판단하고, 그에 따른 출력치를 기설정된 함수와 게인의 곱으로 연산하고, 시트(11) 끝단의 충돌이 있으면 다시 게인을 증가한 다음 재차 연산된 출력치를 구동출력기(17)에 보내는 알고리즘을 수행하는 제어기(20); 그리고
    상기 제어기(20)의 출력신호를 받아 댐퍼(18)의 동작전류 또는 전압을 가변하는 구동출력기(17)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 시트의 완충장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(20)의 함수는 변위에 따른 함수 f(s)와, 변위·속도에 따른 함수 f(s,v)와, 변위·속도·가속도에 따른 함수 f(s,v,a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 시트의 완충장치.
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